Vakum -Vacuum

Vakum göstermek için pompa

Vakum , madde içermeyen bir boşluktur . Sözcük, "boş" veya "boş" için Latince sıfat vacuus'tan türetilmiştir . Böyle bir vakuma bir yaklaşım, atmosfer basıncından çok daha düşük bir gaz basıncına sahip bir bölgedir . Fizikçiler genellikle bazen basitçe "vakum" veya boş uzay olarak adlandırdıkları mükemmel bir vakumda meydana gelebilecek ideal test sonuçlarını tartışırlar ve bir laboratuvarda veya uzayda olabileceği gibi gerçek bir kusurlu vakumu ifade etmek için kısmi vakum terimini kullanırlar.. Öte yandan mühendislik ve uygulamalı fizikte vakum, basıncın atmosfer basıncından önemli ölçüde düşük olduğu herhangi bir alanı ifade eder. Latince in vacuo terimi , bir boşlukla çevrili bir nesneyi tanımlamak için kullanılır.

Kısmi bir vakumun kalitesi , mükemmel bir boşluğa ne kadar yaklaştığını ifade eder. Diğer şeyler eşittir, daha düşük gaz basıncı , daha yüksek kaliteli vakum anlamına gelir. Örneğin, tipik bir elektrikli süpürge , hava basıncını yaklaşık %20 oranında azaltmak için yeterli emiş üretir . Ancak daha yüksek kaliteli vakumlar mümkündür. Kimya, fizik ve mühendislikte yaygın olan ultra yüksek vakum odaları, atmosfer basıncının (100 nPa) trilyonda birinin ( 10-12 ) altında çalışır ve yaklaşık 100 parçacık / cm3'e ulaşabilir . Dış uzay , galaksiler arası uzayda ortalama olarak metreküp başına sadece birkaç hidrojen atomuna eşdeğer olan daha da yüksek kaliteli bir boşluktur.

Vakum, antik Yunan zamanlarından beri sık sık felsefi bir tartışma konusu olmuştur , ancak 17. yüzyıla kadar ampirik olarak incelenmemiştir. Evangelista Torricelli , 1643'te ilk laboratuvar vakumunu üretti ve atmosferik basınç teorilerinin bir sonucu olarak diğer deneysel teknikler geliştirildi . Torricellian vakum, bir ucu kapalı uzun bir cam kabın cıva ile doldurulması ve ardından cıva içermesi için bir kapta ters çevrilmesiyle oluşturulur (aşağıya bakınız).

Vakum, 20. yüzyılda akkor ampullerin ve vakum tüplerinin tanıtılmasıyla değerli bir endüstriyel araç haline geldi ve o zamandan beri çok çeşitli vakum teknolojileri mevcut hale geldi. İnsan uzay uçuşunun gelişimi, boşluğun insan sağlığı ve genel olarak yaşam formları üzerindeki etkisine olan ilgiyi artırdı.

etimoloji

Vakum kelimesi , "boş" anlamına gelen, "boş olmak" anlamına gelen vacare ile ilgili olan Latince '  boş bir boşluk, void', isim kullanımı olan vacuus'tan gelir.

Vacuum , İngilizce'de iki ardışık sesli harf içeren u birkaç kelimeden biridir .

Tarihsel anlayış

Tarihsel olarak, boşluk gibi bir şeyin var olup olmayacağı konusunda çok fazla tartışma olmuştur. Antik Yunan filozofları , boşluğu ve atomu fiziğin temel açıklayıcı unsurları olarak kabul eden atomizm bağlamında bir boşluğun veya boşluğun varlığını tartıştılar . Platon'u izleyerek , soyut bir özelliksiz boşluk kavramı bile hatırı sayılır bir şüphecilikle karşı karşıya kaldı: duyularla kavranamadı, kendi başına, orantılı olduğu fiziksel hacmin ötesinde ek açıklayıcı güç sağlayamadı ve tanım gereği, tam anlamıyla hiçbir şey, haklı olarak var olduğu söylenemez. Aristoteles , hiçbir boşluğun doğal olarak oluşamayacağına inanıyordu, çünkü daha yoğun çevreleyen malzeme sürekliliği, bir boşluğa yol açabilecek herhangi bir yeni başlayan nadirliği hemen dolduracaktı.

Aristoteles , Fizik , IV. kitabında, boşluğa karşı sayısız argüman sundu: örneğin, hiçbir engel sunmayan bir ortam aracılığıyla hareketin sonsuza kadar devam edebileceği , bir şeyin belirli bir yerde durmaya başlaması için hiçbir neden yok. Lucretius , MÖ 1. yüzyılda boşluğun varlığını savundu ve İskenderiye Kahramanı, MS birinci yüzyılda yapay bir boşluk yaratmaya çalıştı, ancak başarısız oldu.

Ortaçağ Müslüman dünyasında , fizikçi ve İslam alimi El-Farabi , 10. yüzyılda boşluğun varlığını reddeden bir inceleme yazdı. Havanın hacminin mevcut alanı doldurmak için genişleyebileceği ve bu nedenle mükemmel bir boşluk kavramının tutarsız olduğu sonucuna vardı. Nadir El-Bizri'ye göre fizikçi İbnü'l-Heysem ve Mutezili kelamcılar Aristoteles ve Farabi ile anlaşamadılar ve bir boşluğun varlığını desteklediler. İbnü'l-Heysem, geometriyi kullanarak , yerin ( el-makan ), kapsayıcı bir cismin iç yüzeyleri arasındaki hayali üç boyutlu boşluk olduğunu matematiksel olarak gösterdi . Ahmed Dallal'a göre, Ebu Reyhan el-Bīrūnī de "boşluk olasılığını dışlayan gözlemlenebilir hiçbir kanıt bulunmadığını" belirtir. Emme pompası 13. yüzyılda Arap mühendis Al-Jazari tarafından tanımlandı ve daha sonra 15. yüzyıldan itibaren Avrupa'da ortaya çıktı.

13. ve 14. yüzyılda Roger Bacon , Parma'lı Blasius ve Walter Burley gibi Avrupalı ​​bilim adamları , boşluk kavramıyla ilgili konulara büyük ilgi gösterdiler. Sonunda , bu örnekte Stoacı fiziği takip eden 14. yüzyıldan itibaren bilim adamları , kozmosun sınırlarının ötesinde doğaüstü bir boşluk lehine giderek artan bir şekilde Aristotelesçi perspektiften ayrıldılar; bu, 17. yüzyılda geniş çapta kabul edilen ve doğal ve teolojik ayrımlara yardımcı olan bir sonuçtur. endişeler.

Platon'dan neredeyse iki bin yıl sonra René Descartes , sorunlu hiçlik- boşluk ve atom arasındaki her şey ikiliği olmaksızın, geometrik temelli alternatif bir atomizm teorisi önerdi . Descartes, doğada bir boşluğun oluşmadığına dair çağdaş görüşle hemfikir olsa da, onunla aynı adı taşıyan koordinat sisteminin başarısı ve daha dolaylı olarak, metafiziğinin uzamsal-bedensel bileşeni, felsefi olarak modern boş uzay kavramını niceliksel olarak tanımlamaya başlayacaktı. hacmin uzatılması. Ancak eski tanımla, yön bilgisi ve büyüklük kavramsal olarak farklıydı.

Torricelli'nin cıva barometresi , bir laboratuvardaki ilk sürekli vakumlardan birini üretti.

Orta çağ düşünce deneyleri , iki düz levha arasında hızla ayrıldıklarında, yalnızca bir an için de olsa, bir vakumun mevcut olup olmadığını değerlendiren bir vakum fikriyle ilgili deneyler yaptı. Levhalar ayrılırken havanın yeterince hızlı hareket edip etmediği veya Walter Burley'nin varsaydığı gibi, bir "göksel ajanın" ortaya çıkan boşluğu önleyip önlemediği konusunda çok fazla tartışma vardı. Doğanın boşluktan nefret ettiğine dair yaygın görüş, korku boşluğu olarak adlandırıldı . Hatta Tanrı'nın bile istese bir boşluk yaratamayacağına dair spekülasyonlar vardı ve Piskopos Etienne Tempier'in 1277'de Paris'te kınanması, Tanrı'nın yetkileri üzerinde herhangi bir kısıtlama olmamasını şart koşması, Tanrı'nın eğer isterse bir boşluk yaratabileceği sonucunu doğurdu. öyle diledi. Jean Buridan 14. yüzyılda liman mühürlendiğinde on atlık ekiplerin körükleri açamadıklarını bildirdi.

Katot ışınlarını keşfetmek ve incelemek için kullanılan Crookes tüpü, Geissler tüpünün bir evrimiydi .

17. yüzyıl, kısmi vakum ölçümlerini ölçmek için ilk girişimleri gördü. Evangelista Torricelli'nin 1643 tarihli cıva barometresi ve Blaise Pascal'ın deneylerinin her ikisi de kısmi bir vakum gösterdi.

1654'te Otto von Guericke ilk vakum pompasını icat etti ve ünlü Magdeburg yarım küre deneyini gerçekleştirerek, yarım kürelerin dışındaki atmosferik basınç nedeniyle, at takımlarının havanın kısmen boşaltıldığı iki yarım küreyi ayıramadıklarını gösterdi. Robert Boyle , Guericke'nin tasarımını geliştirdi ve Robert Hooke'un yardımıyla vakum pompası teknolojisini daha da geliştirdi. Bundan sonra, kısmi vakumla ilgili araştırmalar, August Toepler'in Toepler pompasını icat ettiği 1850'ye ve Heinrich Geissler'in cıva deplasmanlı pompayı icat ettiği ve yaklaşık 10 Pa'lık (0,1  Torr ) bir kısmi vakum elde ettiği 1855'e kadar sürdü. Bu vakum seviyesinde bir dizi elektriksel özellik gözlemlenebilir hale geldi ve bu da daha fazla araştırmaya olan ilgiyi yeniledi.

Dış uzay, doğal olarak meydana gelen kısmi bir boşluğun en nadir örneğini sağlarken, göklerin başlangıçta eter adı verilen katı, yok edilemez bir malzeme ile kusursuz bir şekilde doldurulduğu düşünülüyordu . Biraz Stoacı fiziğin pneumasından ödünç alınan eter, adını aldığı ender hava olarak görülmeye başlandı (bkz . Eter (mitoloji) ). İlk ışık teorileri, ışığın yayıldığı her yerde bulunan karasal ve göksel bir ortam olduğunu ortaya koydu. Ek olarak, kavram Isaac Newton'un hem kırılma hem de radyan ısı hakkındaki açıklamalarını bilgilendirdi. Bu ışık saçan etere yapılan 19. yüzyıl deneyleri , Dünya'nın yörüngesindeki bir dakikalık sürüklenmeyi tespit etmeye çalıştı. Aslında Dünya, yıldızlararası uzaya kıyasla nispeten yoğun bir ortamda hareket ederken, sürüklenme o kadar küçük ki tespit edilemedi. 1912'de astronom Henry Pickering , "Yıldızlararası emici ortam basitçe eter olsa da, [o] bir gazın özelliğidir ve serbest gaz halindeki moleküller kesinlikle oradadır" yorumunu yaptı.

Daha sonra, 1930'da Paul Dirac , Dirac denizi olarak adlandırılan, negatif enerjiye sahip sonsuz bir parçacık denizi olarak vakum modeli önerdi . Bu teori, daha önce formüle ettiği Dirac denkleminin tahminlerini iyileştirmeye yardımcı oldu ve iki yıl sonra doğrulanan pozitronun varlığını başarıyla tahmin etti . Werner Heisenberg'in 1927'de formüle ettiği belirsizlik ilkesi , içinde anlık konum ve momentumun veya enerji ve zamanın ölçülebileceği temel bir sınır öngördü. Bunun parçacıklar arasındaki uzayın "boşluğu" üzerinde geniş kapsamlı sonuçları vardır. 20. yüzyılın sonlarında, boş uzaydan kendiliğinden ortaya çıkan sözde sanal parçacıklar doğrulandı.

Klasik alan teorileri

Boşluğu tanımlamanın en katı kriteri, gerilim-enerji tensörünün tüm bileşenlerinin sıfır olduğu bir uzay ve zaman bölgesidir. Bu, bu bölgenin enerji ve momentumdan yoksun olduğu ve sonuç olarak, enerji ve momentum içeren parçacıklardan ve diğer fiziksel alanlardan (elektromanyetizma gibi) boş olması gerektiği anlamına gelir.

Yerçekimi

Genel görelilikte , kaybolan bir stres-enerji tensörü, Einstein alan denklemleri aracılığıyla, Ricci tensörünün tüm bileşenlerinin kaybolması anlamına gelir . Vakum, uzay-zamanın eğriliğinin mutlaka düz olduğu anlamına gelmez : yerçekimi alanı, bir boşlukta gelgit kuvvetleri ve yerçekimi dalgaları şeklinde hala eğrilik üretebilir (teknik olarak, bu fenomenler Weyl tensörünün bileşenleridir ). Kara delik (sıfır elektrik yükü ile), tamamen vakumla "dolu", ancak yine de güçlü bir eğrilik gösteren bir bölgenin zarif bir örneğidir.

elektromanyetizma

Klasik elektromanyetizmada , boş alanın vakumu veya bazen sadece boş alan veya mükemmel vakum , elektromanyetik etkiler için standart bir referans ortamıdır. Bazı yazarlar bu referans ortamına klasik vakum , bu kavramı QED vakumundan veya QCD vakumundan ayırmayı amaçlayan bir terminoloji , vakum dalgalanmalarının geçici sanal parçacık yoğunlukları ve aynı şekilde birlik olmayan nispi geçirgenlik ve nispi geçirgenlik üretebildiği bir terminoloji olarak bahseder.

Klasik elektromanyetizma teorisinde, boş alan aşağıdaki özelliklere sahiptir:

Klasik elektromanyetizmanın boşluğu, SI birimlerindeki kurucu ilişkilerle idealize edilmiş bir elektromanyetik ortam olarak görülebilir:

elektrik yer değiştirme alanı D' yi elektrik alanı E ve manyetik alan veya H -alanı H'yi manyetik indüksiyon veya B - alanı B ile ilişkilendirmek . Burada r uzaysal bir konumdur ve t zamandır.

Kuantum mekaniği

Kuantum mekaniğinde ve kuantum alan teorisinde vakum, mümkün olan en düşük enerjiye ( Hilbert uzayının temel durumu ) sahip durum (yani teorinin denklemlerinin çözümü ) olarak tanımlanır. Kuantum elektrodinamiğinde bu vakum, onu QCD vakumu olarak belirtilen kuantum kromodinamiğinin vakumundan ayırt etmek için ' QED vakumu ' olarak adlandırılır . QED vakumu, parçacıkların (dolayısıyla adı) ve fotonların olmadığı bir durumdur . Yukarıda açıklandığı gibi, bu duruma deneysel olarak ulaşmak imkansızdır. (Her madde parçacığı bir şekilde bir hacimden çıkarılabilse bile, tüm kara cisim fotonlarını ortadan kaldırmak imkansız olurdu .) Bununla birlikte, gerçekleştirilebilir vakum için iyi bir model sağlar ve aşağıda açıklanacak olan bir dizi deneysel gözlemle uyumludur.

QED vakumunun ilginç ve karmaşık özellikleri vardır. QED vakumunda, elektrik ve manyetik alanların ortalama değerleri sıfırdır, ancak varyansları sıfır değildir. Sonuç olarak, QED vakumu, vakum dalgalanmaları ( varlığa girip çıkan sanal parçacıklar ) ve vakum enerjisi adı verilen sonlu bir enerji içerir . Vakum dalgalanmaları, kuantum alan teorisinin önemli ve her yerde bulunan bir parçasıdır. Vakum dalgalanmalarının deneysel olarak doğrulanmış bazı etkileri, spontan emisyon ve Lamb kaymasını içerir . Coulomb yasası ve bir elektrik yükünün yakınındaki vakumdaki elektrik potansiyeli değiştirilir.

Teorik olarak, QCD'de birden fazla vakum durumu bir arada bulunabilir. Kozmolojik şişmenin başlangıcı ve bitişinin farklı boşluk durumları arasındaki geçişlerden kaynaklandığı düşünülmektedir. Klasik bir teorinin kuantizasyonu ile elde edilen teoriler için , konfigürasyon uzayındaki enerjinin her durağan noktası tek bir boşluğa yol açar. Sicim teorisinin çok sayıda boşluğa sahip olduğuna inanılıyor - sözde sicim teorisi manzarası .

Uzay

Manyetosferin yapısı - mükemmel bir vakum değil, yüklü parçacıklar, hidrojen , helyum ve oksijen gibi serbest elementler , elektromanyetik alanlar ile zayıf bir plazma yıkamasıdır .

Dış uzay çok düşük yoğunluğa ve basınca sahiptir ve mükemmel bir vakumun en yakın fiziksel yaklaşımıdır. Ancak, metreküp başına hala birkaç hidrojen atomunun bulunduğu yıldızlararası uzayda bile hiçbir boşluk gerçekten mükemmel değildir.

Yıldızlar, gezegenler ve aylar, atmosferlerini yerçekimi kuvvetiyle tutarlar ve bu nedenle, atmosferlerin açıkça tanımlanmış bir sınırı yoktur: atmosferik gazın yoğunluğu, nesneden uzaklaştıkça azalır. Dünya'nın atmosferik basıncı, 100 kilometre (62 mil) yükseklikte yaklaşık 32 milipaskal (4.6 × 10 −6  psi) düşer ; bu, dış uzay ile sınırın ortak bir tanımı olan Kármán çizgisidir . Bu çizginin ötesinde, izotropik gaz basıncı, Güneş'ten gelen radyasyon basıncı ve güneş rüzgarlarının dinamik basıncı ile karşılaştırıldığında hızla önemsiz hale gelir , bu nedenle basınç tanımının yorumlanması zorlaşır. Bu aralıktaki termosfer , büyük basınç, sıcaklık ve bileşim gradyanlarına sahiptir ve uzay havasına bağlı olarak büyük ölçüde değişir . Astrofizikçiler , bu ortamları tanımlamak için santimetre küp başına parçacık birimi cinsinden sayı yoğunluğunu kullanmayı tercih ederler .

Ancak dış uzayın tanımını karşılasa da, Kármán çizgisinin ilk birkaç yüz kilometre üzerindeki atmosferik yoğunluk , uydular üzerinde önemli bir sürüklenme oluşturmak için hala yeterlidir . Çoğu yapay uydu, düşük Dünya yörüngesi adı verilen bu bölgede çalışır ve motorlarını birkaç haftada bir veya yılda birkaç kez (güneş aktivitesine bağlı olarak) ateşlemelidir. Buradaki direnç, gezegenler arası seyahat için önerilen bir tahrik sistemi olan güneş yelkenleri üzerindeki radyasyon basıncı ile teorik olarak üstesinden gelinebilecek kadar düşüktür . Gezegenler, atmosferleri güneş rüzgarları tarafından aşındırılsa da, yörüngeleri bu kuvvetlerden önemli ölçüde etkilenemeyecek kadar büyüktür.

Gözlemlenebilir evrenin tamamı , kozmik arka plan radyasyonu olarak adlandırılan çok sayıda foton ve büyük olasılıkla buna karşılık gelen çok sayıda nötrino ile doludur . Bu radyasyonun mevcut sıcaklığı yaklaşık 3  K'dir (−270,15  °C ; -454,27  °F ).

Ölçüm

Bir vakumun kalitesi, sistemde kalan madde miktarı ile gösterilir, böylece yüksek kaliteli bir vakum, içinde çok az madde kalmış olan bir vakumdur. Vakum öncelikle mutlak basıncı ile ölçülür, ancak tam bir karakterizasyon, sıcaklık ve kimyasal bileşim gibi daha fazla parametre gerektirir . En önemli parametrelerden biri, moleküllerin birbirleriyle çarpışmalar arasında kat edeceği ortalama mesafeyi gösteren artık gazların ortalama serbest yoludur (MFP). Gaz yoğunluğu azaldıkça MFP artar ve MFP hazneden, pompadan, uzay aracından veya mevcut diğer nesnelerden daha uzun olduğunda, akışkanlar mekaniğinin süreklilik varsayımları uygulanmaz. Bu vakum durumuna yüksek vakum denir ve bu rejimdeki sıvı akışlarının çalışmasına parçacık gaz dinamiği denir. Atmosferik basınçtaki havanın MFP'si çok kısa, 70  nm , ancak 100  mPa'da (≈10 −3  Torr ) oda sıcaklığındaki havanın MFP'si kabaca 100 mm'dir, bu vakum tüpleri gibi günlük nesnelerin sırasına göredir . Crookes radyometresi , MFP kanatların boyutundan daha büyük olduğunda döner .

Vakum kalitesi, elde etmek veya ölçmek için gereken teknolojiye göre aralıklara bölünür. Bu aralıklar, aşağıdaki tabloda gösterildiği gibi ISO 3529-1:2019'da tanımlanmıştır (100 Pa, 0,75 Torr'a karşılık gelir; Torr, SI olmayan bir birimdir):

Basınç aralığı Tanım Aralıkların tanımının gerekçesi aşağıdaki gibidir (tipik koşullar):
Mevcut atmosfer basıncı (31 kPa ila 110 kPa) ila 100 Pa düşük (kaba) vakum Basınç, basit malzemeler (örn. normal çelik) ve pozitif deplasmanlı vakum pompaları ile elde edilebilir; gazlar için viskoz akış rejimi
<100 Pa ila 0,1 Pa orta (ince) vakum Basınç, ayrıntılı malzemeler (örneğin paslanmaz çelik) ve pozitif deplasmanlı vakum pompaları ile elde edilebilir; gazlar için geçiş akış rejimi
<0,1 Pa için1 × 10 −6  Pa yüksek vakum (HV) Basınç, ayrıntılı malzemeler (örneğin paslanmaz çelik), elastomer contalar ve yüksek vakum pompaları ile elde edilebilir; gazlar için moleküler akış rejimi
<1 × 10 −6  Pa _1 × 10 -9  Pa ultra yüksek vakum (UHV) Basınç, özenli malzemeler (örneğin düşük karbonlu paslanmaz çelik), metal contalar, özel yüzey hazırlıkları ve temizleme, fırınlama ve yüksek vakum pompaları ile elde edilebilir; gazlar için moleküler akış rejimi
aşağıda 1 × 10 -9  Pa aşırı yüksek vakum (XHV) Basınç, karmaşık malzemeler (örneğin, vakumla ateşlenen düşük karbonlu paslanmaz çelik, alüminyum, bakır-berilyum, titanyum), metal contalar, özel yüzey hazırlıkları ve temizleme, fırınlama ve ek gaz giderici pompalar ile elde edilebilir; gazlar için moleküler akış rejimi
  • Atmosferik basınç değişkendir ancak 101.325 kPa (760 Torr) olarak standartlaştırılmıştır.
  • Derin uzay genellikle herhangi bir yapay boşluktan çok daha boştur. Hangi uzay bölgesi ve astronomik cisimlerin dikkate alındığına bağlı olarak, yukarıdaki yüksek vakum tanımını karşılayabilir veya karşılamayabilir. Örneğin, gezegenler arası uzayın MFP'si Güneş Sisteminin boyutundan daha küçüktür, ancak küçük gezegenler ve aylardan daha büyüktür. Sonuç olarak, güneş rüzgarları Güneş Sistemi ölçeğinde sürekli akış sergiler, ancak Dünya ve Ay'a göre parçacıkların bombardımanı olarak düşünülmelidir.
  • Mükemmel vakum , hiçbir parçacığın olmadığı ideal bir durumdur. Bir laboratuvarda elde edilemez , ancak kısa bir süre için içlerinde hiçbir madde parçacığı bulunmayan küçük hacimler olabilir. Maddenin tüm parçacıkları ortadan kaldırılsa bile, fotonlar ve gravitonların yanı sıra karanlık enerji , sanal parçacıklar ve kuantum boşluğunun diğer yönleri de olacaktır .

Göreceli ve mutlak ölçüm

Vakum , tipik olarak Dünya üzerindeki ortam atmosferik basıncına göre bir çıkarma olarak basınç birimlerinde ölçülür . Ancak göreceli olarak ölçülebilir vakum miktarı yerel koşullara göre değişir. Yer seviyesindeki atmosferik basıncın Dünya'dakinden çok daha yüksek olduğu Venüs'ün yüzeyinde , çok daha yüksek bağıl vakum okumaları mümkün olacaktır. Neredeyse hiç atmosferi olmayan ayın yüzeyinde, yerel çevreye göre ölçülebilir bir boşluk yaratmak son derece zor olurdu.

Benzer şekilde, Dünya okyanusunun derinliklerinde normalden çok daha yüksek bağıl vakum okumaları mümkündür. 10 atmosfer (98 metre; 9.8 metrelik deniz suyu sütunu, 1 atm eşdeğer ağırlığa sahiptir) batırılmış 1 atmosferlik bir iç basıncı koruyan bir denizaltı , etkili bir şekilde, ezici dış su basınçlarını dışarıda tutan bir vakum odasıdır. Denizaltının içindeki 1 atm normalde vakum olarak kabul edilmez.

Bu nedenle, aşağıdaki vakum ölçümü tartışmalarını doğru bir şekilde anlamak için, okuyucunun göreceli ölçümlerin Dünya'da deniz seviyesinde, tam olarak 1 atmosfer ortam atmosferik basıncında yapıldığını varsayması önemlidir.

1 atm'ye göre ölçümler

Cıvadan arındırılmış bir cam McLeod göstergesi

SI basınç birimi pascal'dır (Pa sembolü), ancak vakum genellikle bir İtalyan fizikçi Torricelli (1608-1647) için adlandırılan torr cinsinden ölçülür. Torr, mutlak sıfır basıncın üzerinde 1 torr'a eşit 133.3223684 paskal olan bir manometrede bir milimetre cıvanın ( mmHg ) yer değiştirmesine eşittir. Vakum genellikle barometrik ölçekte veya barlar veya atmosferlerde atmosferik basıncın yüzdesi olarak da ölçülür . Düşük vakum genellikle standart atmosfer basıncının altında milimetre cıva (mmHg) veya paskal (Pa) cinsinden ölçülür. "Atmosferik altı" mutlak basıncın mevcut atmosfer basıncına eşit olduğu anlamına gelir.

Başka bir deyişle, örneğin 50.79 Torr okuyan çoğu düşük vakum ölçer. Birçok ucuz düşük vakum ölçerin bir hata payı vardır ve 0 Torr'luk bir vakum bildirebilir, ancak pratikte bu, genellikle 1 torr'un çok ötesine (daha düşük) gitmek için iki aşamalı bir döner kanatlı veya başka bir orta tip vakum pompası gerektirir.

Ölçüm aletleri

Hangi vakum aralığının gerekli olduğuna bağlı olarak, bir vakumdaki basıncı ölçmek için birçok cihaz kullanılır.

Hidrostatik göstergeler (cıva sütunlu manometre gibi ), uçları farklı basınçlara maruz kalan bir tüp içinde dikey bir sıvı sütunundan oluşur. Kolon, ağırlığı, borunun iki ucu arasındaki basınç farkıyla dengelenene kadar yükselecek veya düşecektir. En basit tasarım, bir tarafı ilgilenilen bölgeye bağlı olan kapalı uçlu U şeklinde bir tüptür. Herhangi bir akışkan kullanılabilir, ancak yüksek yoğunluğu ve düşük buhar basıncı nedeniyle cıva tercih edilir. Basit hidrostatik göstergeler, 1 torr'dan (100 Pa) atmosferik değere kadar değişen basınçları ölçebilir. Önemli bir varyasyon, bilinen bir vakum hacmini izole eden ve sıvı kolonunun yükseklik değişimini çarpmak için sıkıştıran McLeod ölçerdir .  McLeod göstergesi , mevcut teknolojiyle mümkün olan en düşük doğrudan basınç ölçümü olan 10 −6 torr (0,1 mPa) kadar yüksek vakumları ölçebilir . Diğer vakum göstergeleri daha düşük basınçları ölçebilir, ancak sadece dolaylı olarak diğer basınç kontrollü özelliklerin ölçülmesiyle. Bu dolaylı ölçümler, en yaygın olarak bir McLeod ölçer olmak üzere doğrudan bir ölçüm yoluyla kalibre edilmelidir.

Kenotometre, tipik olarak buhar türbinleri kullanan enerji santrallerinde kullanılan özel bir hidrostatik gösterge türüdür. Kenotometre, kondenserin buhar boşluğundaki, yani türbinin son aşamasının egzozundaki vakumu ölçer.

Mekanik veya elastik göstergeler, söz konusu bölgenin basıncına göre şekil değiştiren, genellikle metalden yapılmış bir Bourdon tüpüne, diyaframa veya kapsüle bağlıdır. Bu fikrin bir varyasyonu , diyaframın bir kapasitörün bir parçasını oluşturduğu kapasitans manometresidir . Basınçtaki bir değişiklik, diyaframın bükülmesine yol açar, bu da kapasitansta bir değişikliğe neden olur. Bu göstergeler 10 3  torr'dan 10 −4  torr'a ve ötesine kadar etkilidir .

Termal iletkenlik göstergeleri, bir gazın ısı iletme yeteneğinin basınçla azaldığı gerçeğine dayanır. Bu tip göstergede, içinden akım geçirilerek bir tel filament ısıtılır. Filamentin sıcaklığını ölçmek için bir termokupl veya Direnç Sıcaklık Detektörü (RTD) kullanılabilir. Bu sıcaklık, filamanın çevredeki gaza ısı kaybetme hızına ve dolayısıyla termal iletkenliğe bağlıdır. Yaygın bir varyant, hem ısıtılmış eleman hem de RTD olarak tek bir platin filament kullanan Pirani mastardır . Bu göstergeler 10 torr'dan 10 −3  torr'a kadar doğrudur, ancak ölçülen gazların kimyasal bileşimine karşı hassastırlar.

İyonizasyon ölçerler ultra yüksek vakumda kullanılır. İki tipte gelirler: sıcak katot ve soğuk katot. Sıcak katot versiyonunda ,elektrikle ısıtılan bir filaman bir elektron ışını üretir. Elektronlar göstergeden geçer ve etraflarındaki gaz moleküllerini iyonize eder. Ortaya çıkan iyonlar, bir negatif elektrotta toplanır. Akım, göstergedeki basınca bağlı olan iyon sayısına bağlıdır. Sıcak katot göstergeleri 10 −3  torr'dan 10 −10 torr'a kadar doğrudur. Soğuk katot versiyonunun ardındaki prensip, elektronların yüksek voltajlı bir elektrik deşarjı tarafından oluşturulan bir deşarjda üretilmesi dışında aynıdır. Soğuk katot göstergeleri 10 −2  torr ila 10 −9 torr arasında doğrudur . İyonizasyon ölçer kalibrasyonu, inşaat geometrisine, ölçülen gazların kimyasal bileşimine, korozyona ve yüzey birikintilerine çok duyarlıdır. Kalibrasyonları, atmosferik basınçta veya düşük vakumda aktivasyon ile geçersiz kılınabilir. Yüksek vakumlarda gazların bileşimi genellikle tahmin edilemez olacaktır, bu nedenle doğru ölçüm için iyonizasyon ölçer ile birlikte bir kütle spektrometresi kullanılmalıdır.

kullanır

Vakum, çeşitli işlemlerde ve cihazlarda faydalıdır. İlk yaygın kullanımı, filamanı kimyasal bozulmadan korumak için akkor ampuldeydi. Vakum tarafından üretilen kimyasal eylemsizlik, elektron ışın kaynağı , soğuk kaynak , vakum paketleme ve vakumlu kızartma için de yararlıdır . Atomik olarak temiz alt tabakaların incelenmesinde ultra yüksek vakum kullanılır, çünkü yalnızca çok iyi bir vakum, atomik ölçekte temiz yüzeyleri oldukça uzun bir süre (dakikalar ila günler arasında) korur. Yüksek ila ultra yüksek vakum, havadaki tıkanıklığı ortadan kaldırarak partikül ışınlarının malzemeleri kontaminasyon olmadan biriktirmesine veya çıkarmasına izin verir. Bu, yarı iletkenlerin ve optik kaplamaların imalatı ve yüzey bilimi için gerekli olan kimyasal buhar biriktirme , fiziksel buhar biriktirme ve kuru aşındırma arkasındaki ilkedir . Konveksiyonun azaltılması termos şişelerinin ısı yalıtımını sağlar . Derin vakum , sıvıların kaynama noktasını düşürür ve dondurarak kurutma , yapıştırıcı hazırlama, damıtma , metalurji ve proses temizlemede kullanılan düşük sıcaklıkta gaz çıkışını destekler. Vakumun elektriksel özellikleri, katot ışın tüpleri de dahil olmak üzere elektron mikroskoplarını ve vakum tüplerini mümkün kılar . Elektrik şalt cihazlarında vakum kesiciler kullanılmaktadır. Vakum ark prosesleri, belirli kalitedeki çeliklerin veya yüksek saflıktaki malzemelerin üretimi için endüstriyel olarak önemlidir. Hava sürtünmesinin ortadan kaldırılması, volan enerji depolaması ve ultrasantrifüjler için faydalıdır .

Bu sığ su kuyusu pompası, pompa odasının içindeki atmosferik hava basıncını azaltır. Atmosferik basınç kuyuya doğru uzanır ve azaltılmış basıncı dengelemek için suyu boruyu pompaya doğru zorlar. Atmosfer basıncını dengeleyen su sütunu ağırlığı nedeniyle, yer üstü pompa odaları sadece yaklaşık 9 metre derinliğe kadar etkilidir.

Vakumla çalışan makineler

Vakumlar, daha da geniş bir uygulama yelpazesine sahip olan emiş üretmek için yaygın olarak kullanılır . Newcomen buhar motoru , bir pistonu tahrik etmek için basınç yerine vakum kullandı. 19. yüzyılda, Isambard Kingdom Brunel'in deneysel atmosferik demiryolunda çekiş için vakum kullanıldı . Vakum frenleri bir zamanlar Birleşik Krallık'taki trenlerde yaygın olarak kullanılıyordu, ancak eski demiryolları dışında, yerini havalı frenler aldı .

Manifold vakumu , otomobillerdeki aksesuarları sürmek için kullanılabilir . En iyi bilinen uygulama, frenlere güç desteği sağlamak için kullanılan vakum servodur . Eski uygulamalar arasında vakumla çalışan ön cam silecekleri ve Autovac yakıt pompaları bulunmaktadır. Bazı hava taşıtı aletleri ( Tutum Göstergesi (AI) ve Yön Göstergesi (HI) ), erken uçakların genellikle elektrik sistemlerine sahip olmaması ve iki tane olması nedeniyle tüm (elektrikle çalışan) aletlerin kaybolmasına karşı koruma olarak tipik olarak vakumla çalışır. Hareket halindeki bir uçakta, motorda ve harici bir venturide kolayca bulunabilen vakum kaynakları. Vakum indüksiyon eritme , bir vakum içinde elektromanyetik indüksiyon kullanır.

Kondenserde bir vakumun korunması , buhar türbinlerinin verimli çalışmasının önemli bir yönüdür . Bu amaçla bir buhar jeti ejektörü veya sıvı halkalı vakum pompası kullanılır. Türbin egzozundaki yoğuşturucu buhar boşluğunda muhafaza edilen tipik vakum (yoğunlaştırıcı geri basıncı olarak da adlandırılır), yoğuşturucu tipine ve ortam koşullarına bağlı olarak 5 ila 15 kPa (mutlak) aralığındadır.

gaz çıkışı

Buharlaşmaya ve vakuma süblimleşmeye gaz çıkarma denir . Katı veya sıvı tüm malzemeler küçük bir buhar basıncına sahiptir ve vakum basıncı bu buhar basıncının altına düştüğünde gaz çıkışı önemli hale gelir. Gaz çıkışı, bir sızıntı ile aynı etkiye sahiptir ve ulaşılabilir vakumu sınırlayacaktır. Gaz çıkışı yapan ürünler, yakındaki daha soğuk yüzeylerde yoğunlaşabilir ve bu, optik aletleri engellediğinde veya diğer malzemelerle reaksiyona girdiğinde sorun yaratabilir. Bu, belirsiz bir teleskop veya güneş pilinin pahalı bir görevi mahvedebileceği uzay görevleri için büyük endişe kaynağıdır.

Vakum sistemlerinde en yaygın gaz çıkışı ürünü, hazne malzemeleri tarafından emilen sudur. Haznenin kurutulması veya fırınlanması ve emici malzemelerin çıkarılmasıyla azaltılabilir. Gazlı su, döner kanatlı pompaların yağında yoğuşabilir ve gaz balast kullanılmadığında net hızlarını önemli ölçüde azaltabilir. Yüksek vakum sistemleri, gaz çıkışını en aza indirmek için temiz ve organik maddeden arındırılmış olmalıdır.

Ultra yüksek vakum sistemleri genellikle, tüm gaz çıkışı malzemelerinin buhar basıncını geçici olarak yükseltmek ve onları kaynatmak için tercihen vakum altında pişirilir. Gaz tahliye malzemelerinin büyük bir kısmı kaynatılıp tahliye edildikten sonra, sistem daha düşük buhar basınçları için soğutulabilir ve fiili çalışma sırasında artık gaz çıkışı en aza indirilebilir. Bazı sistemler, kalan gaz çıkışını durdurmak ve aynı anda sistemi kriyopompalamak için sıvı nitrojen ile oda sıcaklığının oldukça altına soğutulur .

Pompalama ve ortam hava basıncı

Derin kuyularda pompa odası su yüzeyine yakın kuyuda veya su içindedir. Bir "emici çubuk", pistonu çalıştırmak için kulptan borunun ortasından aşağıya, kuyunun derinliklerine kadar uzanır. Pompa kolu, hem enayi çubuk ağırlığına hem de zemin seviyesine kadar üst piston üzerinde duran su sütununun ağırlığına karşı ağır bir karşı ağırlık görevi görür.

Akışkanlar genellikle çekilemez, bu nedenle emme ile bir vakum oluşturulamaz . Emme, daha yüksek bir basıncın sıvıları içine itmesine izin vererek bir vakumu yayabilir ve seyreltebilir, ancak emme meydana gelmeden önce vakumun oluşturulması gerekir. Yapay bir vakum oluşturmanın en kolay yolu, bir kabın hacmini genişletmektir. Örneğin diyafram kası göğüs boşluğunu genişleterek akciğer hacminin artmasına neden olur. Bu genleşme basıncı azaltır ve kısa sürede atmosfer basıncı tarafından içeri itilen hava ile doldurulan kısmi bir vakum oluşturur.

Sonsuz büyüme gerektirmeden bir odayı süresiz olarak boşaltmaya devam etmek için, vakumun bir bölmesi tekrar tekrar kapatılabilir, tüketilebilir ve tekrar genişletilebilir. Bu, örneğin manuel su pompası gibi pozitif deplasmanlı pompaların arkasındaki ilkedir . Pompanın içinde bir mekanizma, vakum oluşturmak için küçük sızdırmaz bir boşluğu genişletir. Basınç farkı nedeniyle, hazneden (veya örneğimizde kuyudan) bir miktar sıvı pompanın küçük boşluğuna itilir. Pompanın boşluğu daha sonra hazneden kapatılır, atmosfere açılır ve bir dakika boyutuna kadar sıkıştırılır.

Yüksek vakum elde etmek için kullanılan bir momentum transfer pompası olan turbomoleküler bir pompanın kesit görünümü

Yukarıdaki açıklama, vakum pompalamaya yalnızca basit bir giriş niteliğindedir ve kullanımda olan tüm pompa çeşitlerini temsil etmez. Pozitif deplasmanlı pompanın birçok varyasyonu geliştirilmiştir ve diğer birçok pompa tasarımı temelde farklı ilkelere dayanmaktadır. Daha yüksek basınçlarda kullanılan dinamik pompalarla bazı benzerlikler taşıyan momentum transfer pompaları , pozitif deplasmanlı pompalara göre çok daha kaliteli vakumlar elde edebilmektedir. Sıkıştırma pompaları , gazları katı veya emilmiş halde, genellikle hareketli parça, conta ve titreşim olmadan yakalayabilir. Bu pompaların hiçbiri evrensel değildir; her türün önemli performans sınırlamaları vardır. Hepsi, özellikle hidrojen , helyum ve neon gibi düşük moleküler ağırlıklı gazları pompalamada bir zorluğu paylaşırlar .

Bir sistemde elde edilebilecek en düşük basınç, pompaların yapısından başka birçok şeye de bağlıdır. Daha yüksek vakumlar elde etmek için kademeli olarak adlandırılan birden fazla pompa seri olarak bağlanabilir. Conta seçimi, hazne geometrisi, malzemeler ve aşağı pompalama prosedürlerinin hepsinin bir etkisi olacaktır. Toplu olarak bunlara vakum tekniği denir . Ve bazen, nihai basınç ilgili tek özellik değildir. Pompalama sistemleri, yağ kirliliği, titreşim, belirli gazların tercihli pompalanması, pompalama hızları, aralıklı görev döngüsü, güvenilirlik veya yüksek sızıntı oranlarına tolerans açısından farklılık gösterir.

Ultra yüksek vakum sistemlerinde , bazı çok "garip" sızıntı yolları ve gaz çıkışı kaynakları dikkate alınmalıdır. Alüminyum ve paladyumun su absorpsiyonu kabul edilemez bir gaz çıkışı kaynağı haline gelir ve paslanmaz çelik veya titanyum gibi sert metallerin adsorpsiyon özelliği bile dikkate alınmalıdır. Bazı yağlar ve gresler aşırı vakumlarda kaynar. Metalik bölme duvarlarının geçirgenliğinin dikkate alınması gerekebilir ve metalik flanşların tane yönü, flanş yüzeyine paralel olmalıdır.

Şu anda laboratuvarda ulaşılabilen en düşük basınçlar yaklaşık 1 × 10-13 torr'dır (13 pPa). Ancak, 5 × 10 −17 torr (6,7 fPa) kadar düşük basınçlar, 4 K (−269,15 °C; −452,47 °F) kriyojenik vakum sisteminde dolaylı olarak ölçülmüştür. Bu, ≈100 parçacık/cm3'e karşılık gelir .

İnsanlar ve hayvanlar üzerindeki etkiler

1768'de Derby'den Joseph Wright'ın Hava Pompasındaki Bir Kuş Üzerinde Bir Deney adlı bu resim, Robert Boyle tarafından 1660'ta gerçekleştirilen bir deneyi tasvir ediyor .

Boşluğa maruz kalan insanlar ve hayvanlar birkaç saniye sonra bilinçlerini kaybeder ve dakikalar içinde hipoksiden ölürler , ancak semptomlar medyada ve popüler kültürde yaygın olarak tasvir edildiği kadar grafik değildir. Basınçtaki azalma, kanın ve diğer vücut sıvılarının kaynama sıcaklığını düşürür, ancak kan damarlarının elastik basıncı, bu kaynama noktasının, 37 °C'lik iç vücut sıcaklığının üzerinde kalmasını sağlar. Kan kaynamamasına rağmen, vücut sıvılarında düşük basınçlarda ebulizm olarak bilinen gaz kabarcıklarının oluşumu hala bir endişe kaynağıdır. Gaz, vücudu normal boyutunun iki katına kadar şişirebilir ve dolaşımı yavaşlatabilir, ancak dokular yırtılmayı önleyecek kadar elastik ve gözeneklidir. Şişme ve ebullizm bir uçuş kıyafeti ile sınırlandırılabilir . Mekik astronotları, 2 kPa (15 Torr) kadar düşük basınçlarda ebullizmi önleyen Mürettebat İrtifa Koruma Takımı (CAPS) adı verilen elastik bir giysi giydiler. Hızlı kaynatma cildi soğutur ve özellikle ağızda buzlanma oluşturur, ancak bu önemli bir tehlike değildir.

Hayvan deneyleri, 90 saniyeden daha kısa maruziyetlerde hızlı ve tam iyileşmenin normal olduğunu, daha uzun tam vücut maruziyetlerinin ise ölümcül olduğunu ve resüsitasyonun hiçbir zaman başarılı olmadığını göstermektedir. NASA tarafından sekiz şempanze üzerinde yapılan bir araştırma, hepsinin iki buçuk dakikalık vakuma maruz kaldıklarında hayatta kaldığını buldu. İnsan kazalarından elde edilen yalnızca sınırlı miktarda veri vardır, ancak hayvan verileriyle tutarlıdır. Solunum bozulmamışsa uzuvlar çok daha uzun süre maruz kalabilir. Robert Boyle , 1660'ta vakumun küçük hayvanlar için öldürücü olduğunu gösteren ilk kişiydi.

Bir deney, bitkilerin düşük basınçlı bir ortamda (1.5 kPa) yaklaşık 30 dakika hayatta kalabildiğini gösterir.

Oksijen yoğunluğu standart deniz seviyesindeki atmosfere benzer olduğu sürece, soğuk veya oksijen açısından zengin atmosferler, atmosferik basınçtan çok daha düşük basınçlarda yaşamı sürdürebilir. 3 km'ye kadar olan irtifalarda bulunan daha soğuk hava sıcaklıkları, genellikle buradaki daha düşük basınçları telafi eder. Bu irtifanın üzerinde, önceden iklimlendirmeye maruz kalmayan insanlarda irtifa hastalığını önlemek için oksijen zenginleştirmesi gereklidir ve 19 km'nin üzerinde ebullizmi önlemek için uzay giysileri gereklidir. Çoğu uzay giysisi sadece 20 kPa (150 Torr) saf oksijen kullanır. Bu basınç, ebullizmi önlemek için yeterince yüksektir, ancak dekompresyon oranları yönetilmezse dekompresyon hastalığı ve gaz embolileri yine de ortaya çıkabilir.

Hızlı dekompresyon, vakum maruziyetinin kendisinden çok daha tehlikeli olabilir. Mağdur nefesini tutmasa bile, nefes borusundan havalandırma , akciğerlerin hassas alveollerinin ölümcül yırtılmasını önlemek için çok yavaş olabilir . Hızlı dekompresyon ile kulak zarları ve sinüsler yırtılabilir, yumuşak dokular morarabilir ve kan sızabilir ve şok stresi oksijen tüketimini hızlandırarak hipoksiye yol açar. Hızlı dekompresyonun neden olduğu yaralanmalara barotravma denir . 13 kPa'lık (100 Torr) bir basınç düşüşü, kademeli ise hiçbir belirti vermez, aniden meydana gelirse ölümcül olabilir.

Tardigradlar gibi bazı ekstremofil mikroorganizmalar günler veya haftalar boyunca vakum koşullarında hayatta kalabilir.

Örnekler

Basınç (Pa veya kPa) Basınç (Torr, atm) Ortalama serbest yol Moleküller / cm3
Karşılaştırma için standart atmosfer 101.325 kPa 760 torr (1.00 atm) 66 nm 2.5 × 10 19
yoğun kasırga yaklaşık 87 - 95 kPa 650 ila 710
Elektrikli süpürge yaklaşık 80 kPa 600 70 nm 10 19
Buhar türbini egzozu ( Kondenser geri basıncı ) 9 kPa
sıvı halkalı vakum pompası yaklaşık 3,2 kPa 24 torr (0.032 atm) 1.75 um 10 18
Mars atmosferi 1,155 kPa ila 0,03 kPa (ortalama 0,6 kPa) 8,66 ila 0,23 torr (0.01139 ila 0,00030 atm)
dondurarak kurutma 100 ila 10 1 ila 0.1 100 μm ila 1 mm 10 16 ila 10 15
Akkor ampul 10'a 1 0,1 ila 0,01 torr (0,000132 ila 1,3 × 10 −5  atm) 1 mm ila 1 cm 10 15 ila 10 14
Termos Şişe 1 ila 0.01 1 × 10 −2 ila 1 × 10 −4 torr (1,316 × 10 −5 ila 1,3 × 10 −7  atm) 1 cm ila 1 m 10 14 ila 10 12
Dünya termosferi 1 Pa1 × 10 −7 10 -2 ila 10 -9 1 cm'den 100 km'ye 10 14 ila 10 7
Vakum tüpü 1 × 10 −5 ila1 × 10 -8 10 −7 ila 10 −10 1 ila 1.000 km 10 9 ila 10 6
Kriyopompalanmış MBE odası 1 × 10 −7 ila1 × 10 -9 10 -9 ila 10 -11 100 ila 10.000 km 10 7 ila 10 5
Ay üzerindeki baskı yaklaşık olarak1 × 10 -9 10 -11 10.000 km 4 × 10 5
gezegenler arası uzay     11
yıldızlararası uzay     1
galaksiler arası uzay   10 −6

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar